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摘要:天然氣計量是國家、社會和經濟發(fā)展的基礎性工作，準確可靠的計量是促進我國天然氣工業(yè)快速發(fā)展的重要保證。為此，分析了天然氣計量的重要性及其特點，從計量技術標準體系、計量器具的應用技術、天然氣貿易交接計量方式、量值溯源體系和計量管理方面對國內外天然氣計量技術進行了對比分析，并對中國天然氣流量計量技術的發(fā)展進行了總結和展望。研究結果表明:①天然氣計量是量大、動態(tài)、可壓縮介質的氣體計量，計量結果由工況流量、組成、溫度、壓力等數(shù)據(jù)導出，每個基礎數(shù)據(jù)都要被準確測量，才能保證計量結果的準確性;②我國已經建立了天然氣計量技術體系，主要包括計量法律、法規(guī)，計量技術標準與規(guī)范，計量量值溯源技術，計量器具的應用技術，計量管理制度等;③隨著我國天然氣工業(yè)的高質量快速發(fā)展，我國天然氣計量技術體系將持續(xù)完善并進一步與國際接軌，計量器具可靠性保證可能從強制檢定轉變?yōu)橥ㄟ^檢定或校準均可的方式進行溯源，計量器具國產化進程會加快，天然氣貿易計量方式將發(fā)生從體積計量轉變?yōu)槟芰坑嬃康闹卮蟾淖儭＝Y論認為，我國建立的天然氣計量技術體系基本滿足了國家天然氣大發(fā)展的需求，但仍需進一步提升和完善。
1. 天然氣計量的重要性及其特點.
　　“量”是客觀事物及其運動的表現(xiàn)形式，確定的“量”是一切活動的前提和基礎，天然氣商品的價值也是通過天然氣的“量”來體現(xiàn)的。計量是通過技術與法律手段，實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動。計量是國民經濟發(fā)展重要的基礎工作，是適應于生產、貿易、科學技術發(fā)展和國民經濟建設需要，維護國家、人民的利益的重要保證。
　　我國天然氣工業(yè)按照產供儲銷協(xié)調發(fā)展的原則，整體推進天然氣.上、中、下游業(yè)務快速發(fā)展，構建供應立足國內、進口來源多元、管網布局完善、儲氣調峰配套、用氣結構合理、運行安全可靠的天然氣產供儲銷體系。隨著中亞、中緬及進口液化天然氣的引入,中俄東線天然氣管道的開通，國家天然氣骨干管網基本形成，區(qū)域性天然氣管網逐步完善，“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近外供”供氣格局已經形成，干線互聯(lián)互通工作正在全面開展"。天然氣計量結果直接影響到天然氣產供儲銷企業(yè)的生產經營活動。企業(yè)計量的科學性和先進性關系到企業(yè)的運行效率和經營效益。在天然氣生產環(huán)節(jié)中，計量數(shù)據(jù)為油氣田產量統(tǒng)計和生產調度組織提供基本依據(jù);在天然氣輸送環(huán)節(jié)中，計量數(shù)據(jù)可監(jiān)控輸氣管線運行狀態(tài)，為輸差分析提供基礎數(shù)據(jù);在天然氣銷售環(huán)節(jié)中，計量數(shù)據(jù)的準確性可有效保障企業(yè)的合法經濟利益,實現(xiàn)天然氣公平貿易、公正交接。只有通過準確、可靠的計量結果，我們才能得到我國每年巨大的天然氣消費量、生產量、進口量等關鍵數(shù)據(jù)。如果沒有準確、可靠的計量，天然氣企業(yè)無法開展正常生產經營活動，社會經濟秩序將發(fā)生混亂，天然氣的生產、輸送、貿易活動也不能正常進行。
天然氣計量特點和難點如下:
1)天然氣是易燃、易爆氣體，天然氣管道和計量站都處在壓力狀態(tài)，計量設備、設施、儀器符合安全標準，保證計量全過程安全是天然氣計量的首要條件。
2)天然氣計量是量大、流動、可壓縮介質的動態(tài)氣體計量，相較于靜態(tài)、不可壓縮的液體和固體計量，量值不易復現(xiàn)。
3)由于天然氣屬于多組分混合氣體，組分的變化會引起相對密度、發(fā)熱量、壓縮因子、等熵指數(shù)、臨界流函數(shù)等物性參數(shù)的變化，而這些參數(shù)直接參.與天然氣流量計算，對計量結果有直接影響。
4)由于天然氣的氣體流態(tài)特征，流量計的上游管件和阻力件形式、前后直管段和整流器形式等安裝條件和溫度、壓力、振動、脈動、電磁干擾等操作條件和環(huán)境條件均會對計量結果產生直接影響。
5)天然氣流動過程中溫度和壓力都處于變化中，流量是由時間、組成、長度、溫度、壓力等數(shù)據(jù)導出，相比較單參數(shù)測量要求更高，每個基礎數(shù)據(jù)都要準確測量，才能保證計量結果的準確。
　　面對復雜的產供儲銷體系，天然氣計量工作必須適應天然氣工業(yè)的快速變化，才能夠保證我國天然氣業(yè)務的健康發(fā)展。
2國內外天然氣計量技術對比分析
　　天然氣計量是壓力狀態(tài)下的大流量、動態(tài)、影響因素多且復雜條件下的不可復現(xiàn)的氣體計量，須具備先進的技術體系和高效的管理才能實現(xiàn)準確、可靠的計量。天然氣計量方式包括體積計量、質量計量和能量計量3種方式。國際天然氣貿易和歐美日韓等工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用能量計量;我國按照蘇聯(lián)模式,與俄羅斯、中亞地區(qū)國家--樣，仍以體積計量為主;天然氣質量計量應用相對較少，主要針對壓縮天然氣計量。隨著貿易全球化進程加快，消除國際間貿易技術壁壘，正當維護國家利益，實現(xiàn)多氣源格局下天然氣國際國內貿易的準確計量，是計量界業(yè)內人士的重要責任。
　　我國天然氣主要用戶包括居民、商業(yè)、工業(yè)用戶等對象。天然氣利用領域分為城市燃氣、工業(yè)燃料、天然氣發(fā)電和天然氣化工4大類。本文所指的天然氣計量是以20℃、101.325kPa為標準參比條件，流量大于100m2/h，工作壓力大于0.1MPa(表壓)的天然氣貿易計量。天然氣計量是天然氣生產、輸送和銷售等關鍵環(huán)節(jié)的重要工作，為了更好地滿足國家天然氣大發(fā)展需求，結合我國天然氣工業(yè)的實際情況,.我國配套建立了以體積計量為基礎的天然氣計量技術體系，體系主要包括計量相關的法律、法規(guī)與管理制度，計量技術標準與規(guī)范，計量器具的應用與量值溯源技術等。隨著國家對天然氣工業(yè)加快發(fā)展要求越來越高，我國天然氣計量技術體系也在不斷建設、優(yōu)化和發(fā)展中。筆者將從計量技術標準體系、計量器具應用技術、貿易交接計量方式、量值溯源技術、管理制度等方面，討論如何保障天然氣計量結果的準確可靠。
2.1計量技術標準體系
　　先進、實用的計量技術標準體系是天然氣工業(yè)發(fā)展的基礎，先進標準的使用對推進天然氣技術進步，加快中國天然氣工業(yè)的生產、消費升級和推進天然氣利用，提高經濟社會發(fā)展水平，維護國家和人民的利益意義重大。在符合我國計量相關的法律、法規(guī).與管理制度基礎上，參考國際先進天然氣計量技術標準體系，并結合我國實際情況，建立了基本適合我國天然氣工業(yè)的天然氣計量技術標準體系，保證了天然氣的生產和貿易需求，我國天然氣體積流量計量標準體系總體與國際接軌，部分達到國際先進水平，近年來我國積極參與并牽頭制訂天然氣計量方面的國際標準，這對提升我國天然氣大國地位和獲取天然氣國際貿易主動權具有重要意義，我國天然氣計量主要技術標準及國外相關標準對比如表1所示。
　　通過國內外標準的總體比較，我國天然氣計量標準與國外先進標準基本一致，基本能滿足我國天然氣體積計量和能量計量的需求。其中GB/T18603一2014《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》是標準體系中的基礎，標準規(guī)定了天然氣計量站貿易計量系統(tǒng)的設計、建設、投產運行、維護方面的技術要求，對流量計量裝置和發(fā)熱量測量系統(tǒng)均提出了技術要求。該標準根據(jù)在標準參比條件下，按照設計100~1000m3/h、1000~10000m3/h、10000~100000m3/h和大于100000m2/h體積流量規(guī)模將天然氣計量站計量系統(tǒng)分為4檔，不同等級計量系統(tǒng)的對應準確度等級要求分別為A級、B級、C級，對應的能量計量結果的最大允許誤差為1%、2%和3%四，計量站流量規(guī)模越大，對計量系統(tǒng)要求越高。表2為我國天然氣不同等級的計量系統(tǒng)技術要求，我國的要求與國際法定計量組織OIMLR140:2007月]標準要求相同。中國作為天然氣大國，若按照2018年2766×108m3的天然.氣年消費量，0.5%的計量誤差將產生14×108m3的輸送差異，A級計量系統(tǒng)1%的允許誤差，計量將可能產生28×108m3的差異，涉及金額數(shù)十億，實際上我們還有大量的B級站和C級站，如果再加上天然氣生產商到終端用戶的若干貿易交接界面，計量差異會更大，對供銷雙方均有--定的財務風險。因此，如何進一步提高我國的天然氣計量技術水平，還任重道遠。


2.2計量器具的應用技術
　　天然氣計量需要多臺套儀器設備的測量值綜合計算導出，使用先進可靠的計量檢測設備是獲得計量結果準確的保證，流量計是天然氣實現(xiàn)準確計量最為關鍵的設備，根據(jù)天然氣流量計工作原理，主要包括以下幾類:
1)容積式流量計:測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知體積的測量室，根據(jù)測量室逐次重復地充滿和排空其腔室流體的次數(shù)來測量流體體積總量，如腰輪流量計、皮膜表等。.
2)差壓式流量計:管道中流量檢測元件產生的差壓與管道的幾何尺寸的相互關系來推算流量的，如孔板流量計、文丘里管等。
3)速度式流量計:基于與流體流速有關的各種物理現(xiàn)象測量管道內流體速度來測量流體流量，如渦輪流量計、超聲流量計、旋進旋渦流量計等。
4)質量流量計:管道中流量檢測元件產生的相位差或溫度差與流體質量流量呈比例關系來測量流體的質量流量，如科里奧利質量流量計、熱式質量流量計等。
　　國內外目前使用的主要計量器具及特點如表3所示。20世紀80年代以孔板流量計為主，隨著技術進步，準確度水平越來越高，量程越來越寬，可供選擇的流量計種類也越來越多，應用較多的超聲流量計、孔板流量計、渦輪流量計。超聲流量計以其準確度高、量程比寬、壓力損失小等特點在干線管網中使用越來越普遍。在流量計選型時，在應用流量計類型方面國內外相同，主要根據(jù)各種流量計的價格、準確度要求、適用流量和管徑范圍、天然氣壓力和壓力損失要求溫度和流動狀態(tài)、天然氣潔凈程度要求、環(huán)境條件、檢定要求等因素綜合考慮選用合適的流.量計。高準確度流量計是實現(xiàn)天然氣的準確計量重.要保障。隨著我國制造業(yè)技術的不斷進步，各類流量計我國都能夠自主生產，也得到越來越廣泛的應用，但在流量計的準確度和長期穩(wěn)定性方面與國外先進水平還存在差距，目前，在A級計量站的流量計及其配套儀器主要還是進口設備(孔板流量計除外，國產孔板流量計已達到國際同類先進水平)，在低級別計量站國產設備使用越來越廣泛。

　　天然氣計量結果是由工作條件下的流量、組成、溫度、壓力等數(shù)據(jù)導出標準參比條件下(20C、101.325kPa)的體積、質量或能量流量，我國天然氣計量基本采用體積流量計量方式。因此，除流量計外，溫度傳感器、壓力和差壓變送器，以及色譜儀、水露點檢測儀、硫化氫檢測儀等天然氣組成分析儀表也必不可少。工作條件下的體積流量、溫度、壓力密度、壓縮因子等測量參數(shù)在不同等級的計量系統(tǒng)配套儀表需要滿足的準確度要求如表4所示，計量系統(tǒng)規(guī)模等級越大，準確度要求越高。

　　另外,對于標況流量超過10×10m3/h的計量站，在體積流量測量方面，歐美發(fā)達國家常采用不同原理或相同原理不同廠家生產的流量計在同一管路進行一對一核查，即主流量計與核查流量計，兩流量計示值的差值限由供銷雙方通過合同約定，通常情況下兩流量計工況體積流量之差控制在0.2%，超過0.3%就預警需查找原因，兩流量計之工況流量差不超過0.5%，貿易交接數(shù)據(jù)采用兩臺流量計示值的平均值作為結算依據(jù)[7]。我國在同一計量站同一管路采用兩臺流量計一對一核查的較少，多為供銷雙方各自建站進行計量總量核查，誤差限不超過表4規(guī)定誤差限，相對來說誤差限較大。在氣質分析方面，在進出口國際貿易計量站或重要計量站，常設置兩臺在線色譜儀分析結果的平均值計算發(fā)熱量，或是1臺在線色譜儀和1臺累積取樣器結合的方法，用在線色譜儀的組成分析數(shù)據(jù)進行貿易計量，累積取樣
　　離線氣質分析數(shù)據(jù)進行確認，兩種方法的發(fā)熱量差值均控制在0.3%內，超過0.3%查找原因，但不能超過0.5%，雙方在協(xié)議中協(xié)商確定，保障了色譜分析數(shù)據(jù)的準確性。我國色譜分析設備均為引進設備，取點樣分析的較多，國內同一計量站安裝兩臺在線色譜的很少，且多數(shù)在周期檢定期間，計量器具性能核查頻次少，出現(xiàn)問題不易及時發(fā)現(xiàn)。
2.3天然氣貿易交接計量方式
　　天然氣是以甲烷為主的氣體混合物，是一種能源商品，天然氣的使用價值是提供能量，在商品貿易過程中應該體現(xiàn)其使用價值。天然氣的計量方式國內外并不統(tǒng)一，我國天然氣計量采用體積計量，通過測量工況條件下的體積流量值換算到標準參比條件下的體積量進行結算，體積計量體現(xiàn)了天然氣單位時間內流過管道橫截面的體積量的多少，但同樣體積的天然氣可能由于組成不一樣，燃燒后產生的.熱量就不一樣。同樣，質量計量只體現(xiàn)了天然氣單位時間內流過管道橫截面的質量，相同質量的天然.氣由于組成不一樣，燃燒后產生的熱量也往往不一樣。體積計量方式和質量計量方式均未體現(xiàn)優(yōu)質優(yōu)價原則。國外天然氣計量交接方式經歷了體積計量(或質量計量)和能量計量的不同發(fā)展階段。天然氣能量值由天然氣的體積量乘以單位體積發(fā)熱量得到，能量計量兼顧了天然氣的組成和體積，雖然需要準確獲得天然氣的體積量和單位體積發(fā)熱量兩個量值，要求高于體積計量和質量計量，但能量計量更為科學合理地體現(xiàn)了天然氣商品屬性。因此更加合理。天然氣能量流量計算如下:
E=V×Hs
　　式中E表示一定時間內的能量流量，MJ;V表示一定時間內的體積流量或體積流量，m3/h或kg/h;Hs表示單位體積或摩爾質量的天然氣完全燃燒，其中的水蒸氣凝析到標準參比條件下的液態(tài)水釋放出的發(fā)熱量，MJ/m3或MJkg。
　　目前我國LNG液化天然氣進口和中緬管線國外段采用能量結算，國內中海油輸香港支線和廣東深圳LNG液化天然氣獨立管網采用能量結算，其他管線僅部分計量系統(tǒng)具備能量計量功能，但未進行能量結算。中國石油西南油氣田公司在1997年初開始進行能量計量科研項目研究，2008年發(fā)布GB/T22723《天然氣能量測定》標準[13]，國家正在制訂具體的能量實施管理辦法。
　　國外天然氣能量測定方法可參考表5，對于配有在線色譜儀的A、B級計量站，可根據(jù)在線色譜分析的組成計算單位發(fā)熱量，并與分析周期內的標準狀態(tài)流量的乘積實時計算并累積。可采用取點樣或累積樣進行定期核查，確保單位發(fā)熱量在合同約定的區(qū)間范圍內。對于未配置在線色譜儀的B、C級計量站，可采用GB/T22723--2008的固定或可變賦值技術，也可采用加權平均或算數(shù)平均計算發(fā)熱量4，并與雙方約定時間內的標準狀態(tài)流量的乘積計算能量。

2.4量值溯源體系
　　天然氣計量結果是通過計量器具測定工況條件下天然氣實際流量并結合其他參數(shù)值計算得到，計量器具是指能用以直接或間接測出被測對象量值的裝置、儀器儀表、量具和用于統(tǒng)一量值的標準物質。計量器具的準確性必須通過量值溯源進行保證，量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結果或測量標準的值能夠與規(guī)定的參考標準(通常是國家計量基準或國際計量基準)聯(lián)系起來的特性。
　　量值溯源的目的主要是通過檢定/校準等方式，以保證被計量對象的量值準確一致。量值溯源和傳遞具有法制性、強制性和科學性。它是保證儀器儀表量值準確可靠的重要途徑,是檢驗裝備是否始終處于良好技術狀態(tài)的重要手段,也是獲取正確的、可信的科研試驗數(shù)據(jù)的重要技術基礎。國家石油天然氣大流量計量站成都分站、南京分站和武漢分站共同構成完整的低、中和高壓體積流量量值傳遞和溯源鏈(圖1)，通過這3條溯源鏈分別將原級標準量值傳遞至廣州分站、烏魯木齊分站、北京采育檢定點、塔里木檢定點、長慶檢定點、武漢檢定點�？傮w說來，天然氣流量原級標準裝置測量不確定度(U)水平達到0.05%~0.07%，與國外一流水平相當，工作級標準裝置的能力和水平有待于提高(表6)。
2.5計量管理
　　計量管理是對計量站中與操作人員、計量器具、數(shù)據(jù)和資料管理相關的管理制度。歐美國家對計量器具的管理與我國主要不同的地方在于貿易交接以供銷雙方合同協(xié)議確定流量計的校準周期、運行維護相關事項;而我國目前是強制檢定為主，流量計按相關檢定規(guī)程(表7)進行檢定。
3中國天然氣流量計量技術展望，
　　隨著國家加快發(fā)展天然氣工業(yè)，我國正在加快進入天然氣時代，為了滿足中國天然氣消費的強勁需求，我國天然氣管網更加復雜，天然氣管道輸送壓力和管徑大幅增加，長輸管徑超過1200mm，管道設計壓力最高達到12MPa，單臺流量計工況流量超過10000m2/h，加之國家管網公司的呼之欲出，這些會對天然氣計量工作的管理和技術提出新的更高要求。作為天然氣工業(yè)基礎的天然氣計量技術在“十四五”期間乃至更長時間將得到進--步的發(fā)展和提升，預計主要從以下方面:
1)天然氣貿易交接用計量器具將從檢定向校準,現(xiàn)場計量注重流量計使用中檢驗、遠程診斷、主流量計與核查流量計串聯(lián)應用以及現(xiàn)場計量系統(tǒng)的性能評價等方向改變。

2)天然氣實流檢點站逐步增加，以滿足天然氣發(fā)展的需求。
3)國內外天然氣計量標準裝置的量值比對活動將會加強。2018年由中國計量科學院牽頭啟動了國家石油天然氣大流量計量站成都分站、南京分站、武漢分站原級標準的量值比對活動，還將開展工作級標準比對，為國內天然氣流量的量值統(tǒng)一.及參加國際關鍵比對，實現(xiàn)國際間實驗室數(shù)據(jù)互認打下了堅實基礎。
4)完善標準體系，積極主導國際標準制修訂。積極承擔和參與國際標準制修訂，提升我國在天然氣標準領域的國際影響力。如天然氣貿易用流量計的選型指南、天然氣計量性能評價研究、槽道式流量計測量天然氣流量等國際標準的制訂。
5)加強流量計量儀器、儀表的國產化。我國除.孔板流量計達到國際先進水平外，高準確度超聲流量計、氣相色譜儀等主要依賴進口。因此，必須大力發(fā)展此類儀表的國產化，提高儀器儀表的長期穩(wěn)定性，達到國際先進水平。
6)體積計量將會向能量計量轉變。2019年5月.24日，國家發(fā)展與改革委員會、國家能源局、住房城鄉(xiāng)建設部門和市場監(jiān)管部門聯(lián)合發(fā)布“關于印發(fā)《油氣管網設施公平開放監(jiān)管辦法》的通知(發(fā)改能源規(guī)[2019]916號)，第十五條明確提出“以能量作為貿易結算依據(jù)，暫不具備熱值計量條件的，應于本辦法施行之日起24個月內實現(xiàn)熱值計量”。
能量計量分階段開展實施。第一階段:選擇代表性計量站點開展能量計量示范，完全模擬天然氣的能量計量開展工作，根據(jù)示范點實施情況，不斷改進完善;第二階段:推廣至進口管道氣下游、進口LNG下游以及煤層氣、煤制氣的輸送、銷售、儲存及貿易交接的地區(qū)公司。
4結論
1)計量是國家、社會和經濟發(fā)展的基礎性工作，準確可靠的計量是我國天然氣工業(yè)快速發(fā)展的重要保證。在天然氣生產中，計量數(shù)據(jù)為油氣田產量統(tǒng)計和生產調度組織提供基本依據(jù):輸送中，計量數(shù)據(jù)可監(jiān)控輸氣管網運行狀態(tài)，為輸差分析提供基礎數(shù)據(jù);銷售中，計量數(shù)據(jù)的準確性可有效保障企業(yè)的合法經濟利益。
2)通過參考國際先進技術，結合我國天然氣工業(yè)實際情況，我國建立了天然氣計量技術體系，主要包括計量法律、法規(guī)，計量技術標準與規(guī)范，計量器具的選擇與應用，計量量值溯源技術，計量管理制度等。我國建立的天然氣計量技術體系基本滿足.了國家天然氣大發(fā)展需求，維護了國家、人民的利益。
3)大力發(fā)展天然氣，推進中國能源生產和消費升級是我國能源戰(zhàn)略的重要方向。伴隨我國天然氣工業(yè)的高質量發(fā)展和天然氣對外依存度越來越高，我國天然氣計量技術和標準體系將進一步完善，并與國際接軌，計量器具可靠性保證可能從強制檢定轉變?yōu)橥ㄟ^檢定或校準均可的方式進行溯源，計量器具國產化進程會加快，天然氣貿易計量方式將發(fā)生從體積計量轉為能量計量的重大改變。

 

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